Luminescerande nanotermometrar har en storlek som är mycket mindre än bakterier och mänskliga celler, vilket gör det möjligt att mäta temperaturer i så små organismer. Å andra sidan är klassiska termometrar mycket större och kan inte övervaka temperaturen i biologiska mikromiljöer med tillräcklig rumslig upplösning och utan att kraftigt störa den undersökta arten. Kredit:Erving Ximendes
Temperatur och värmeväxling ligger till grund för biologiska processer i hela naturens rike. Flera av dessa biologiska processer är förknippade med temperaturförändringar i storleksordningen några få grader eller till och med under 0,1 grader Celsius. Till exempel hos reptiler bestämmer en skillnad på mindre än en grad i äggets inkubationstemperatur könet på det nyfödda barnet. Människokroppen är inget undantag:en liten temperaturökning över basnivån kan förändra celldynamiken eller inducera demontering av en tumörmatris, och under anfall inträffar förändringar i hjärntemperaturen med några decimaler. För att på ett tillförlitligt sätt övervaka dessa processer behövs metoder som minimalt stör studiesystemet och har en termometrisk precision under 0,1 grader Celsius.
För detta ändamål, i en ny studie publicerad i Light:Science &Applications , har ett team av forskare från Spanien och Portugal knäckt koden för en ökad precision i den termiska avläsningen med hjälp av självlysande nanotermometrar. Dessa är nanomaterial vars optiska egenskaper är känsliga för temperaturförändringar, och de kan infogas i biologiska (mikro)miljöer för att fungera som temperaturnanosonder ner till encellsnivå. Med sin reducerade storlek uppfyller de förutsättningen för minimal störning av det sonderade systemet. Men när man arbetar i vattenhaltiga miljöer är precisionen i avläsningen av temperaturen i allmänhet över 0,1 grader Celsius.
För att kalibrera en luminescerande nanotermometer är förändringar i nanomaterialets optiska egenskaper kvantitativt korrelerade med variationer i temperaturen i den omgivande miljön. Denna kalibrering går igenom valet av en lämplig termometrisk parameter och förvärvet av en kalibreringsdatauppsättning, vilket innebär att fotoluminescensen (fotonabsorption följt av fotonemission) hos nanotermometern registreras som en funktion av en uppsättning temperaturer. Genom att använda tillvägagångssätt för stordataanalys, som kollektivt kallas dimensionsreduktion, har forskarna visat att det är möjligt att automatisera valet av den termometriska parametern som maximerar precisionen i den termometriska metoden.
(a) En luminescerande nanotermometer är en fotoluminescerande nanopartikel som kan absorbera och återutsända energi i form av ljus (snörjiga pilar visar fotoner). (b) För kalibrering av en luminescerande nanotermometer bör dess fotoluminescens vid olika temperaturer registreras. (c) Klassiskt följs detta av valet av en termometrisk parameter som positionen för maximum (λ) eller den integrerade intensiteten (I) av emissionsspektrumet och plottning av det mot värdet på temperaturen vid vilken varje spektrum samlades in. Kredit:Erving Ximendes
"Kalibreringen av en självlysande nanotermometer som användes för att innebära en tråkig försök-och-fel-metod där olika termometriska parametrar, som färg- och intensitetsförändringar, testades oberoende av varandra. Och även om den parameter som valdes till slut var den bästa bland de som undersöktes, fanns det ingen garanti för att det var DEN bästa. Med det tillvägagångssätt som vi föreslår kan man enkelt koppla in en kalibreringsdatauppsättning och du blir automatiskt belönad med den högsta precision som din nanotermometer har råd med", sa forskarna.
"För att uppnå detta resultat använde vi matematiska tillvägagångssätt som ligger till grund för teknologier som snabbt blir vanliga i vårt samhälle, som ansikts- och röstigenkänning och brusreducerande enheter. Dessa dimensionsreducerande metoder är kraftfulla algoritmer som kan känna igen de mest meningsfulla funktionerna av en klass av objekt och bortse från mindre detaljer som överlag är mindre meningsfulla. Denna träning av algoritmen möjliggör till exempel igenkänning av objekt."
(a) Tillämpningen av ett tillvägagångssätt för dimensionalitetsreduktion (i detta fall en linjär transformation såsom Principal Component Analysis) resulterar i definitionen av ett nytt utrymme av koordinater där en temperaturförändring är lättare att kvantifiera. (b) Ett exempel på den ökade precisionen av luminescens-nanotermometri som uppnåtts med tillämpning av dimensionsreduktion (DR) tillvägagångssätt (teal line) jämfört med en klassisk trial-and-error-metod (magenta linje) för att definiera den termometriska parametern. Den svarta linjen är den verkliga temperaturen för mediet i vilket de självlysande nanotermometrarna är inbäddade. Kredit:Erving Ximendes
"Tillvägagångssätt för dimensionsreducering gör det möjligt att utnyttja den fulla potentialen hos luminescensnanotermometri, vilket säkerställer att varje gång nanotermometern man använder fungerar enligt högsta standard. Vi kan nu verkligen överväga att använda luminescerande nanotermometri för att övervaka tidigare svårfångade temperaturfluktuationer som inträffar i biologiska system och korrelera dem med fysiologiska händelser."
Forskarna tillade att de "är övertygade om att vi kommer att se en blomning av exempel där liknande matematiska tillvägagångssätt används för att minimera den mänskliga komponenten och förbättra prestandan hos avkänningsteknologier." + Utforska vidare
